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食物不壞一定是防腐劑的功勞嗎?

科學松鼠會_96
・2013/06/28 ・2317字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

Anti-Theft Lunchbag,一種印有黴菌斑圖案的食品袋

當面對一種長時間沒有變壞的食物,人們的第一反應是:一定加了許多防腐劑。先前流傳的一則新聞是:美國猶他州男子於1999年在麥當勞買了個三明治,無意間保存至今。令人吃驚的是,它看起來和14年前沒有多大變化。他當時是為了向朋友們證明防腐劑可以使一些食品長久保持「新鮮」,所以就買了個漢堡打算放一個月再拿出來。但是事後他忘記了,所以保存至今。唯一的變化就是酸黃瓜解體了。

具體到新聞中的漢堡為什麼不壞,沒有實際看到就難以定論,但是可以做出合理推測。這裡,我們首先來講解一下「食物防腐的基本理論」,然後介紹「不用防腐劑的防腐措施」,最後來「推測食物沒壞的可能原因」。

如何防止食物的腐壞?

需要強調一下:「食物沒有腐壞」跟「食物沒有變質」是不同的概念。「腐壞」通常是指長了細菌或者黴菌,而「變質」還包括其他的導致食物品質下降的情況,比如油脂氧化、失去固有風味、口感變差等等。因為腐壞跟食用安全密切相關,所以更受關注,這裡也只討論這一變化。

腐壞的發生是因為微生物(細菌或者黴菌)的生長,需要營養物質、水分和適當溫度與酸度等條件。一般而言,多數食物中不會缺乏營養物質,只有極少的比如白酒、鹽等,無法支持微生物的生長。而水分是細菌和黴菌生長的先決條件,這個條件不是直觀的「水含量」,而是「水活度」。它不僅跟食物的含水量有關,還跟水與食物的結合狀態有關。簡單說來,就是當食物的水含量小到一定地步,細菌和黴菌就無法生長了。比如糖、蜂蜜、脫水蔬菜、方便麵等等,都因為水含量很低 所以難以腐壞。溫度與酸度是微生物生長的環境條件。一般而言,酸度越高(pH值越低),微生物越難生長。而溫度則尤其需要一個適宜範圍,過高過低都不行。 除此之外,微生物生長還需要有一些「種子」,所以如果可以不讓微生物的「種子」接觸到食物,哪怕有適合細菌和黴菌適合生長的環境,食物也不會腐壞。

「現代微生物學之父」路易·巴斯德故居中展出的當年巴斯德否定「自然發生論」用的鵝頸瓶,裡面乘有煮沸後冷卻的肉湯,瓶頸和外界空氣貫通,100多年過去了,肉湯依舊清澈,沒有滋生細菌或黴菌

那些不用防腐劑的防腐措施

微生物要生長,需要滿足上述的所有條件。而防腐,只需要搞定一條就可以。當然,因為每一條要想「徹底搞定」都不容易,現實中往往是多管齊下,讓微生物們「躲過了初一躲不過十五」。

  1. 乾燥。這或許是人類最早懂得的防腐措施。那些容易腐壞的食物,只要在變壞之前曬乾或者烘乾,也就可以長期保存 了。除了糧食,很多傳統食品這是這麼保存的。在農村,許多人會把蘿蔔、紅薯、豆角、竹筍、土豆片、香菇等等曬乾,就可以長期保存了。即使是肉,在高鹽的幫助下把表面烤乾,也可以實現防腐——腊肉、風肉、香腸,都是如此。加工食品中,方便麵是這一技術的代言人。不管是油炸的還是風乾的,面中的水活度都低於細菌生長的最低需求,所以並不需要防腐劑。只要不開封然後受潮,方便麵的乾燥足以防腐了。
  2. 鹽漬。一般細菌在高鹽環境中難以生長。除了前面提到的腊肉,各種醬菜、鹹菜的核心也都是高鹽防腐。
  3. 糖漬。這一防腐措施的核心還是高糖環境中水的活度低,各種蜜餞是這一措施的代表。
  4. 低溫。在冷凍溫度下(低於-18C),雖然讓食物腐壞的微生物沒有死,但是停止了折騰,不能生長了。只要不解凍,它們也就無法鬧事。
  5. 罐裝。罐頭食品通過先密封,然後徹底加熱的方式來防腐。經過長時間的高溫加熱,其中的細菌被殺光。因為已經密封,環境中的細菌也無法進入。沒有了星星之火,不管罐頭內的食物多麼適合,也不會有細菌長起來。「超高溫加熱然後無菌包裝」是食品工業上的另一種常用方案。其原理跟罐頭一樣,也是通過超高溫加熱殺光細菌,然後無菌包裝杜絕細菌進入,從而在不需要防腐劑的情況下實現防腐。可以常溫儲存的牛奶和列車上的盒飯 是消費者熟知的代表。
超高溫瞬時處理超高溫瞬時滅菌(UHT)後用無菌包裝密封是一種常見的常溫儲存液體的方式。此類產品無需防腐劑在常溫下保質期可以有45天至9個月甚至更長,但一旦開封需要冷藏,並在7~10天內喝完。

漢堡為什麼沒有壞

基於上面的討論,再來看漢堡的問題。相對來說,麥當勞的衛生條件還是不錯的,漢堡的滅菌也比較充分。美國猶他州算是比較乾燥的地方,只要那個漢堡在細菌或黴菌長起來之前變得足夠乾,再往後也被不會長出細菌或者黴菌了。至於「酸黃瓜解體」,要知道酸黃瓜含水量在94%左右,完全乾燥之後只剩下一點點, 看起來幾乎是「沒有了」。

這一現象也不難重現。在夏天的北方,把饅頭片或者米飯攤開放在窗檯上,用不了多長時間也就變乾了。把它們放在不受潮的地方,過十幾年來看,也還是沒有「腐壞」。

其實,速食並沒有多大的防腐壓力。配送的半成品是冷凍保存的,成品做出來,幾十分鐘之後風味口感就大大不如,所以總是現做現吃。它本來就沒打算長時間保存,也沒有必要往裡面加入防腐劑。

防腐劑的檢測不是什麼艱難的事情。買幾個漢堡,送到一個靠譜的食品檢測中心,花費不了多少錢,就可以得到專業可靠的結論。個別消費者用漢堡不壞這種現象來「證明」其中含有防腐劑,只能作為一種娛樂。那麼多媒體卻把這個「新聞」當作了快餐食品「含有大量防腐劑」的證據,不能不說實在有點無厘頭。

關於本文

轉載自科學松鼠會,作者。本文首發於果殼網謠言粉碎機」主題站《食物不壞一定是防腐劑的功勞嗎?

文章難易度
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科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀

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蓋房子高手?建築業的未來新星:科氏芽孢桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/12 ・1528字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • Bacillus cohnii   
  • 科氏芽孢桿菌
  • 形狀:圓
  • 直徑:0.6 至 0.7 微米
  • 前進:使用布滿細胞表面的鞭毛
科氏芽孢桿菌。圖/《細菌群像》。

會產生石灰的細菌

細菌不僅可以用於生產食物或提煉金屬,還可以用來建造橋樑和房屋。

例如科氏芽孢桿菌,這是一種一點都不起眼,但會產生石灰的細菌。它喜歡鹼性的生活環境,像是酸鹼值可達八的馬糞裡。但它也生活在鹼性更強的環境,全世界都有其蹤跡,甚至在歐洲、非洲、南美、土耳其的鹼湖裡,它會利用溶在湖裡的碳酸鹽產生石灰。

此細菌最初是在一九九○年代初期,德國微生物及細胞培養保藏中心的細菌學家在尋找偏好鹼性環境的新菌種時所發現,當時的土壤樣本來自一個鹼性土壤的牧場,裡面還殘留著馬糞。

科氏芽孢桿菌除了能夠忍受酸鹼值超過十二的強鹼,相當於氣味刺鼻的氨水的酸鹼值,還能形成孢子渡過長時間的乾旱期。細菌孢子的特性是具有極強的抵抗力,可以存活數十年或數百年,在特定的條件下甚至超過數百萬年(球形離胺酸芽孢桿菌(→ 78頁)還有發芽的能力。

科氏芽孢桿菌的名字源自於德國細菌學家費迪南.尤利烏斯.科恩(Ferdinand Julius Cohn),細菌學的奠基者,也是一八七二年第一個鑑識出芽孢桿菌屬這種小桿形細菌的學者。

研發能「自行修復」的混凝土

科氏芽孢桿菌能生活在鹼性環境中,能產生石灰,孢子經過長時間還具有發芽能力。結合這三種特性,令建築業對之產生興趣。一位荷蘭微生物學家專門研究會產生石灰的細菌,並嘗試研發出一種能自行修復的混凝土。

科學家試圖利用科氏芽孢桿菌研發出能自行修復的混凝土。圖/envatoelements

他的做法是將細菌孢子與銨鹽、磷酸鹽及養分混合在一起,封裝於黏土球裡,然後將這粒只有幾公厘大小的顆粒加入強鹼性的混凝土中。混凝土硬化後若一直保持緊密,便無事發生。但如果出現裂縫,開始長時間滲水,細菌孢子就會開始萌發。當細菌繁殖分裂,會消耗添加進去的物質,並不斷產生碳酸鈣填補裂縫。一道幾公釐寬的裂縫,只需數天時間即可修補完畢。

如此一來,科氏芽孢桿菌就可以解決混凝土結構出現裂縫的難題,否則定期必須進行的繁複維修,造成的損失可高達數十億歐元。除此之外,此細菌也能用在保護現存的建築物,在噴塗混凝土或修復液中皆已測試添加此細菌,用在已出現細微裂縫的建築構件上。

不過,此項產品至今尚未成熟,黏土顆粒仍然占據太多空間,進而影響混凝土的穩定性。還有載體材質、養分及混凝土之間的交互作用,以及孢子平均分布與釋放,與石灰形成的速度及過程等等,都還在改良中。如今,研究人員也測試其他能形成石灰的細菌是否適用。不過無論如何,科氏芽孢桿菌可說是混凝土生物修復劑的先鋒。

科氏芽孢桿菌這類會產生石灰的細菌,現在也運用在其他目的上。一家德國公司利用它來黏走採礦產生的灰塵。方法是將細菌加入培養液裡,灑在布滿灰塵的泥土上,六至四十八小時內就會產生石灰,將灰塵顆粒黏在一起形成砂岩,即固化灰塵。從前為了抑制灰塵,礦業公司必須使用大量的水,如今,藉由細菌的幫忙,就可以省下這些水了。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。

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高效率生存!生物界的空間利用大師:遍在遠洋桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/11 ・1874字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • Candidatus Pelagibacter ubique 
  • 遍在遠洋桿菌
  • 外觀:通常如月牙般略彎之小桿 
  • 長:0.37 至 0.89 微米 寬: 0.12 微米至 0.20 微米
遍在遠洋桿菌。圖/《細菌群像》。

高效率利用生存空間

假使將我們肚裡大腸桿菌的體型比作兔子,遍在遠洋桿菌的體型就如同小老鼠。這種無所不在的海洋細菌不只是能獨立生存的細菌中體積最小的[1],可能也是全世界最有效率也最成功的生物。每公升的海水裡,就有數以百萬計這種細菌,據推測,遠洋桿菌屬的總菌量在地球上高達 1027 至 1028,這個數目是宇宙中目前可觀測到之恆星數量的十萬至一百萬倍。

但這種細菌所創下的紀錄不只這項: 海水所含養分非常貧乏,微生物要生存,就必須主動將所需養分分子輸送進細胞內部。這會消耗能量,最後也一定會有所剩餘。遍在遠洋桿菌則生活在極限邊緣:擁有正好足夠其吸收養分及生長繁殖所需的能量,剛剛好,不多也不少。

遍在遠洋桿菌可說是生物界的空間利用大師,其用來維持新陳代謝和繁殖的胞內空間,少到令人難以想像。細胞內三分之二的空間用於新陳代謝,剩下的三分之一被遺傳物質占滿。在小小的空間裡備有感應系統,能偵測含碳、氫、鐵化合物及光線的位置,擁有必要的運輸系統,以及一切所需的酵素,能自行生產二十種維持生命不可或缺的胺基酸。

體積若是再小,就只能放棄全部或部分的新陳代謝。例如,更小的病毒基本上就是壓縮緊密的基因,會侵入其他生物的細胞中,將別人的新陳代謝系統據為己用。

如果養分充足,細胞內無須再具備持家基因,生活在這種環境的細菌或古菌的確可以小過遍在遠洋桿菌。例如生殖道黴漿菌(Mycoplasma genitalium),這是一種對人類致病的病原體,會在尿道、子宮等黏膜造成感染,體積僅有三百乘以六百奈米左右,但無法獨立生存[2]。二○一五年有學者聲稱在地下水裡發現更小的細菌,但直至今日為止尚未能成功培養,因此學界相當懷疑是否真實存在。

精簡而高效的演化結果

此外,遍在遠洋桿菌的維生機制,效率也出奇地高。它只有一百三十萬組鹼基對,共含約一千四百個基因,是至今已知可獨立生存的物種中最少的。沒有任何多餘的東西,只有必要的配置。甚至連遺傳密碼,也似乎為了減少能量消耗而有過最佳化的調整。

一如其他生物,遠洋桿菌的遺傳密碼由四種鹼基 A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鳥嘌呤)、T(胸腺嘧啶)所組成。但比起其他細菌,遠洋桿菌裡 A 與 T 出現較為頻繁,此點便是出於效能,因為 C 與 G 含有較多的氮(而這在海水中是稀有元素),製造起來較為困難,如同人們以盡可能節省墨水的方式寫作一樣。

遍在遠洋桿菌在其所屬的立克次體目裡,算是特異獨行的一支。因為除了它之外,所有立克次體目的細菌,都必須在其他生物細胞內才能存活,其中也有不少病原菌,例如普氏立克次體菌,流行性斑疹傷寒的病原菌,透過蝨子傳染。

生物學家研究遍在遠洋桿菌並不只因為其驚人的能源效能和基因體的構造,對生態而言,它也相當重要。因為所有遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多,且占有海洋細菌生物量的四分之一;在溫暖的夏季,甚至可能高達二分之一。由於它的主要食物來自死亡生物殘留下來的可溶性有機物,因此在地球的碳循環上,也扮演一個重要的角色。

遍在遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多。圖/envatoelements。

由於數量實在太龐大,因此也容易引起敵人的覬覦:至今已知有數種病毒,會侵占並消滅此種細菌。

遲至二○○二年,人們才知道遍在遠洋桿菌的存在。在那之前,人們只認得它的 rRNA(核糖體核糖核酸)序列,是一九九○年研究人員在北大西洋馬尾藻海的海水樣本裡所發現。這也是首批運用當時最新的序列鑑定方法檢測到的細菌之一,但當時無法成功地培養出來。最後研究人員用了養分很低的培養基,以及高度稀釋的樣本,並添加一種能附著在核糖體上的染劑用以判別才成功。

註解

  • [1] 審定注:一些寄生型細菌和古菌更小。
  • [2] 審定注:該菌倚賴人類細胞裡的現成養分存活。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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征服極端低溫!具有超強耐寒能力的細菌:冷紅科爾韋氏菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/10 ・1718字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • Colwellia psychrerythraea 
  • 冷紅科爾韋氏菌
  • 形狀:小桿狀
  • 顏色:淺紅色
  • 長:2.5 至 3.5 微米
  • 直徑:0.5 微米
  • 前進:使用鞭毛
冷紅科爾韋氏菌。圖/《細菌群像》。

攝氏 –196 度的世界

據當今研究結果所知,在生命出現的早期,地球上炎熱期與冰凍期交互出現,前者平均溫度可達攝氏五十度,後者溫度可低至地表完全凍結。火山爆發及隕石和小行星的撞擊,使地球溫度升高,經由化學反應及後來出現的生物反應消耗大氣層中的二氧化碳,又使地表變冷凍結。

對大多數的生物來說,今日地球是個既濕又冷的家。地表面積超過百分之七十全是海洋,其中三分之二又是寒冷的深海帶,終年溫度只有攝氏二至三度。地表上所有水域裡,淡水僅占百分之二點五,溫度卻也沒有太大差別:百分之九十的淡水,都儲存在極地冰塊及散布地球各處的冰河裡。

自人類開始定時測量並記錄溫度後,最低溫的紀錄是在南極測得的攝氏零下八十九點二度,不過那裡的溫度也從未上升到比結冰點還高。比較重要的是,有些地方雖有溫暖期,但在夜間或冬天會變得異常寒冷,像亞洲一些地方最高溫可達攝氏四十九度,但低溫時也會降到零下五十度。因此不難想像,為何這麼多的細菌都具有高溫差環境的適應力。

所有在低溫環境仍然活躍的細菌中,冷紅科爾韋氏菌特別引人注目:這種微生物在攝氏零下十度還可四處遊走,在攝氏零下二十度還能繼續生長分裂繁殖。甚至在攝氏零下一百九十六度超低溫環境,研究人員還可觀察到其新陳代謝的運作。

冷紅科爾韋氏菌能在液態氮(這可是能將花朵瞬間凍成易碎玻璃的物質)中將胺基酸吸收並用來組成自己的細胞。此特性要歸功於它的保暖聚合物及在細胞外作用的酵素,讓它被包覆在網狀的分子結構裡,就像穿了一件毛衣,保護其免於水分形成整齊的冰晶結構。耐寒細菌的細胞壁結構類似液晶,在極冷和高壓下仍然可以保持液態,這也解釋了為何它同時也耐高壓。

掌握低溫生物技術

科爾韋氏菌屬發現於一九八八年,發表研究結果的作者建議以美國微生物學家麗塔.科爾韋(Rita Colwell)之名來命名,以示敬意。科爾韋生於一九三四年,在一九六○年代發現沿海水域有霍亂弧菌,而且常寄生在以藻類為食的浮游性橈腳類[1]動物上。

在氣候溫暖或養分過剩導致藻類大量繁殖時,就會吸引這些細小的甲殼類動物前來,細菌也就隨之而來。科爾韋發現這項事實後,立即成立安全用水供應網,設法以盡可能簡單的工具,例如自造的過濾器,防止因飲用水造成的傳播感染。

此後,她還與其他伙伴一起創立 CosmosID 公司,以期快速檢驗出環境樣本中的細菌。為了向她致敬,南極一座山塊[2]就以她的名字命名。冷紅科爾韋氏菌的種小名 psychrerythraea,則由希臘文 psychros(冷)及拉丁文 erythraeus(紅色)組成,因這個細菌嗜寒並含有紅色色素。

科爾韋氏菌被應用於許多生物技術上。圖/envatoelements

冷紅科爾韋氏菌也可以在無氧的環境中存活,還可利用各種結構簡單或結構複雜的有機化合物做為養分。由於這種細菌能分解很多種含氮化合物,甚至還能利用硫來產能,因此相當適合利用它在寒冷地區處理環境污染問題。

除此之外,此種細菌也可能促進新疫苗的發明。科學家將病原菌重要的代謝基因替換成冷紅科爾韋氏菌的代謝基因,得到以下結果:病原菌在低溫下正常生長,但在常溫時停止生長,細胞逐漸死亡。這種弱化後的病原菌可用在活體疫苗,使身體在不受危害的狀況下產生足夠的免疫力。此法已在動物實驗中證實可行。

註解

  • [1] Copepoda,橈腳類或譯橈足類,海洋中數量眾多的一群甲殼動物。
  • [2] massif,又稱地塊,地質學中的一個結構單元,比構造板塊要小。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。